Étude théorique des propriétés électroniques et optiques des super-réseaux de Si/SiO2

0

2

4

6

8

10

12

14

!0.15

!0.12

!0.09

!0.06

!0.03

0

0.03

Energie de corrélation

Perdew et Wang (WIEN97)

Perdew et Zunger (VASP)

Carr et Maradudin (limite des hautes densités)

E

Niveau de Fermi

(a)

(b)

Spectre

optique

Absorption de

rayons X

niveaux de

niveaux de

niveaux de

conduction

valence

coeur

!20

!15

!10

!5

0

5

Energie [eV]

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

Elements de matrice [unites de p ]

l=2

l=0

Silicium cristallin

0.0867 + 0.002717x

0.0414 + 0.0006032x

ratio d/s = 2,1

niveau de Fermi

2

/

(a) DBM

(b) BOM

SiO

₂

M

X

R

Z

!

A

X R

Z

M A

Z

!12

!10

!8

!6

!4

!2

0

2

4

Energy [eV]

10 20

30

40

50

DOS [States/eV]

Fermi level

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

!

DBM

!

DBM

!

DBM

!

(a)

Fermi level

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

Fermi level

Fermi level

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

!

DBM

!

DBM

!

DBM

!

Fermi level

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

DBM

Fermi level

!

Fermi level

X

CB1

CB2

R

Z

M A

Z

!12

!10

!8

!6

!4

!2

0

2

4

Energy [eV]

10 20

30

40

50

DOS [States/eV]

Fermi level

(b)

BOM

!

!

X

R

Z

!2

!1

0

1

2

3

Energy [eV]

BOM (109 )

X

R

Z

BOM (144 )

X

R

Z

BOM (158 )

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

CB1

CB1

CB2

CB2

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

CB1

CB1

CB2

CB2

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

CB1

CB1

CB2

CB2

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

CB1

CB1

CB2

CB2

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

CB1

CB1

CB2

CB2

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

CB1

CB1

CB2

CB2

°

°

°

°

°

°

°

°

°

CB1

CB2

0

4

8

12

Energy [eV]

0

50

100

150

200

Absorption ( ) [ 10 /cm]

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

SiO

₂

BOM (109 )

"

4

"

4

"

4

"

4

DBM

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

SiO

₂

BOM (144 )

"

4

"

4

"

4

"

4

DBM

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

SiO

₂

°

"

4

"

4

"

4

"

4

DBM

°

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

SiO

₂

Si

"

4

"

4

"

4

"

4

DBM

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

SiO

₂

"

4

"

4

"

4

"

4

DBM

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

SiO

₂

"

4

"

4

"

4

"

4

DBM

°

BOM (158 )

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

SiO

₂

BOM (109 )

"

4

"

4

"

4

"

4

DBM

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

SiO

₂

BOM (144 )

"

4

"

4

"

4

"

4

DBM

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

SiO

₂

°

"

4

"

4

"

4

"

4

DBM

°

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

SiO

₂

Si

"

4

"

4

"

4

"

4

DBM

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

SiO

₂

"

4

"

4

"

4

"

4

DBM

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

SiO

₂

"

4

"

4

"

4

"

4

DBM

°

BOM (158 )

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

SiO

₂

BOM (109 )

"

4

"

4

"

4

"

4

DBM

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

SiO

₂

BOM (144 )

"

4

"

4

"

4

"

4

DBM

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

SiO

₂

°

"

4

"

4

"

4

"

4

DBM

°

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

SiO

₂

Si

"

4

"

4

"

4

"

4

DBM

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

SiO

₂

"

4

"

4

"

4

"

4

DBM

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

"

4

SiO

₂

"

4

"

4

"

4

"

4

DBM

°

BOM (158 )

(a) DBM

(b) BOM

SiO

2

Si

(c) FRM

SiO

₂

Si

Si

Si(100)-SiO interface Si(100)-SiO interface 2 2

Si

0

Si

Si

Si

Si

Si

~2.35A

~2.35A

~2.35A

~2.35A

Si+1 o o o o Si O Si Si Si 2.30A 2.39A 1.65A 2.30A Si+2 o o o o O Si Si O Si 2.30A 2.56A 1.65A 1.66A Si+3 o o o o O O Si O Si 1.63A 2.39A 1.65A 1.61A

Si

+4

O

O

Si

O

O

~1.61A

~1.61A

~1.61A

~1.61A

!4

!2

0

2

4

energy [eV]

0

0.1

0.2

0.3

s!

DOS

Si in the Si layer of the SLs

Si at the interface (bonded to 1 oxygen)

Si in the SiO2 layer of the SLs

!4

!2

0

2

4

energy [eV]

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

p!

DOS

Si in the Si layer of the SLs

Si at the interface (bonded to 1 oxygen)

Si in the SiO2 layer of the SLs

!24

!20

!16

!12

!8

!4

0

4

8

energy [eV]

0

1

2

3

4

5

6

7

DOS/ SiO2

!

atom

c!SiO2 [I(!4)2d]

Bulklike SiO2 [1.7 nm SL’s]

!2.8 eV

(a) Valence band offset

!1

0

1

2

Energy [eV]

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

DOS/Si

!

atom

0.8

0.84

0.88

0.92

0

0.005

0.01

Si

4+

Si

Si

Si

4+

Si

3+

Si

0

0

Si

2+

Si

0

1+

2+

Si

3+

Si

(b) Si atoms

n+

Si

2+

Si

3+

gap

gap

4+

Si

Si

Si

4+

Si

3+

Si

0

2+

Si

0

2+

Si

3+

Si

4+

Si

Si

Si

4+

Si

3+

Si

0

2+

Si

0

2+

Si

3+

Si

1+

4+

Si

Si

Si

4+

Si

3+

Si

0

Si

1+

2+

Si

0

Si

2+

Si

3+

Si

C’

O

B’

_

O

A’

O

Si

1+,2+,3+

D’

C’

B

A

Si

0

D

C’

B’

O

A’

Si

1+,2+,3+

O

D’

_

O

C’

[O]

#

$

%

$&

#

$

$

%

$

$

$

&

#

$

%

$

&

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

distribution

(a) PRM

Si ! O

suboxide Si atoms

Si ! Si

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

bondlength (A)

distribution

(b) FRM1

Si ! O

suboxide Si atoms

Si ! Si

o

2.24

2.26

2.28

2.3

2.32

2.34

2.36

2.38

2.4

Si ! Si bondlength (A)

0

1.35

2.7

4.05

5.4

6.75

8.1

9.45

10.8

position along growth axis (A)

Si layers

subO Si

o

o

centre

interface region

'=0.015

'=0.034

'=0.0087

'=0.019

'=0.0048

'=0.0067

'=0.0046

'=0.0029

x=2.29

(a) Si

1+

o o o o

Si0

O

Si1+

Si2+

Si0

2.39A

2.30A

1.65A

2.30A

(b) Si

2+

o o o o

O

Si0

Si2+

O

Si1+

2.30A

2.26A

1.65A

1.66A

(c) Si

3+

o o o o

O

O

Si3+

O

Si0

1.63A

2.29A

1.65A

1.61A

X R Z M X !2 !1 0 1 2 3

Energy [eV]

20 40 60 80 100

DOS [States/eV]

! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

(a) FRM1

X R Z M X !2 !1 0 1 2 3

Energy [eV]

20 40 60 80 100

DOS [States/eV]

! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

(b) FRM2

X R Z M X !2 !1 0 1 2 3

Energy [eV]

20 40 60 80 100

DOS [States/eV]

! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

(c) FRM3

R

Z

M

!2

!1

0

1

2

c!Si; folded

!

(a)

R

Z

M

!2

!1

0

1

2

FRM2

FRM2/O!H/vac.

!

(b)

R

Z

M

!1.2

!0.8

!0.4

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

Energy [eV]

FRM2

FRM2/H/vacuum

!

!

!

0

1

2

3

4

5

6

7

Energy [eV]

0

40

80

120

160

200

240

Absorption ( ) [ 10 /cm]

"

(a) axis

z

4

FRM1

FRM2

FRM3

Si (fcc BZ)

Si (SLs BZ)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Energy [eV]

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Absorption ( ) [ 10 /cm]

"

(c) axis

z

4

"

4

FRM3

Si (SLs BZ)

"

4

FRM2

Si (fcc BZ)

"

4

FRM1

0

1

2

3

4

5

6

7

Energy [eV]

0

40

80

120

160

200

240

Absorption ( ) [ 10 /cm]

"

(b) plane

x!y

4

FRM2

Si (fcc BZ)

Si (SLs BZ)

"

4

FRM1

FRM3

Si (fcc BZ)

Si (SLs BZ)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Energy [eV]

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Absorption ( ) [ 10 /cm]

"

(d) plane

x!y

4

FRM2

Si (fcc BZ)

"

4

FRM1

FRM3

Si (SLs BZ)

0

1

2

3

4

5

!0.4

!0.3

!0.2

!0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

Energy shift [eV]

(a) experimental band shifts

conduction!band minimun (CBM)

valence!band maximum (VBM)

bulk!Si

0

1

2

3

4

5

Si well thickness [nm]

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Energy gap [eV]

experiments

fully relaxed models

double!bonded models

(b) energy band gaps

SiO

₂

Si

1+,2+,3+

Si-well

Si

1+,2+,3+

SiO

₂

2

2

Si

SiO

SiO

Confined States

B a n d S t a t e s

VBO

CBO

g

E

CBM

VBM

99

100

101

102

103

Energy [eV]

!1

0

1

2

3

4

5

6

Derivatives of XANES; and A

99.6

0

99.8

100

0.5

1

XANES

2p

X 2

2p

2p

A (Slater transition state)

XANES

A (ground state)

X 2

2p

X 2

2p

2p

A (Slater transition state)

XANES

A (ground state)

A (STS)

A (GS)

2p

2p

99

100

101

102

103

Energy [eV]

0

1

2

3

4

XANES derivatives

no shift

c!Si

1.6 nm QW

1.1 nm QW

Band

Confined

States

States

(a) Experiment

100

101

102

103

104

105

106

107

108

Energy [eV]

!1

0

1

2

3

4

5

Derivatives of A

c!Si

1.7 nm QWs

1.1 nm QWs

2p

Band states

Confined states

(b) Theory

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Energie [eV]

!20

!10

0

10

20

30

40

50

(

0

10

20

30

40

50

(

experience

theorie

theorie

experience

i

r